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上海海事大学船用电喷柴油机培训课题组
上海市浦东新区海港大道1550号
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0 引言
随着环境问题日益严峻,国际海事组织(Intermational Maritime Organization,IMO)对船舶提出了执行 NO排放标准(Tier Ш)的要求。使用液化天然气(Liquefed Natural Gas,LNG)和甲醇等燃料可满足 NO,排放要求,但目前正在营运及在建船舶大部分使用的还是常规燃油,如重燃油和船用轻柴油。对于常规燃油，世界主要柴油机厂家都已推出满足 Tier Ⅲ要求的技术措施”,其中选择催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)和废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)是降低船用柴油机 NO,排放,使其满足 Tier Ш 要求的主流技术。对于这2项技术,MAN为常规燃油低速主机提供了多种配置方案。研究人员已针对 EGR主机的性能、排放和匹配运行特性进行研究,EGR 技术的核心是解决高硫油条件下的 S0,和颗粒物去除问题,以及主机与 EGR 系统运行匹配问题!]。此外,研究人员已针对 SCR 的控制策略、技术现状和发展进行研究!,比如燃油的硫含量和烟气温度等对SCR 反应的影响。但是,对于船舶建造方和船东而言,其更关注满足布置和经济性等方面的要求。
1 EGR 主机配置方案
1.1 EGR 系统设计原理
EGR技术的原理是将30%~40%的废气返回燃烧室从而降低燃烧温度。EGR 系统的特点是扫气中的一小部分0,被燃烧产生的CO,替换,扫气的热容量会稍微增加,而燃烧温度的峰值会下降。船用柴油机的NO 排放主要来源于缸内高温条件下生成的NO,降低燃烧温度能有效减少NO,的生成4。MANEGR系统的工作原理见图1,EGR切断阀(Shut-Off Valve,SOV)开启,来自排气总管(图1中的D)的部分废气先通过预喷洗装置(图1中的②),被喷射出的带有NaOH的EGR系统水进行初步处理,处理后的废气温度降至80~100℃,此后经过EGR单元(图1中的③)冷却至扫气温度。EGR单元包含喷洗装置、冷却器和滴水分离器。滴水分离器分离出废气中的水,随后经过EGR风机(图1中的④)将其压力提升到扫气压力,废气与正常扫气混合,最后进入扫气箱(图1中的⑤)。根据MAN选型EGR系统有2种配置:
1)EGR 系统+涡轮增压器切断(EGR Turbo Charger,EGR TC),适用于缸径不小于80cm 的主机,配有至少2台增压器;
2)经济型 ECR 系统(EeoECR),带有旁通的ECR,可配置1台或2台增压器,是一种燃油优化发动机。EGR TC系统的工作原理同图1。
在Tier Ⅱ模式下,与传统机型一样,废气驱动透平并通过排烟管排出，该机型高硫油(HighSulfur FuelOil,HSFO)和低硫油(Low Sulfur Fuel Oil,LSFO)都可使用;在Tier I模式下,运行EGR,有30%~40%的废气再循环,经过处理之后进入扫气箱,从而降低 NO.的形成。
EcoEGR系统的工作原理见图2。
在TierI模式下,SOV开启,有10%~15%的废气再循环,经过EGR单元处理之后进入扫气箱,运行部分EGR,达到降低油耗的目的。该机型仅能使用低硫油。EGRTC系统只在Tier I模式下运行EGR,而EcoEGR系统在 Tier I模式下也运行部分EGR。
1.2 EGR辅助系统
EGR 主机在清洗废气、降低废气温度过程中会产生含硫物质和颗粒物,为防止其损坏发动机,需净化再循环废气。在EGR管线中的预喷洗装置和EGR冷却器喷洗装置内使用再循环淡水对废气进行净化。为保持淡水对废气的净化和冷却能力,需配备水处理系统。该系统必须确保能清除颗粒聚集物并中和水中的硫酸(并采用NaOH进行中和)。图3为典型的ECR辅助系统,主要由EGR供给单元、缓冲罐和主机EGR水处理单元组成。主机在使用EGR 过程中会产生油渣和泄放水,合格的泄放水排至舷外,不合格的泄放水返回舱,产生的废渣进人EGR废渣舱。此外，配置EGR废渣排放泵将废渣排至岸上。
2 SCR 主机配置方案
2.1 SCR 系统设计原理
SCR的基本原理是:来自主机的气体被引导通过催化剂,在足够的反应温度下发生还原反应生成N，和水。氨必须在高压或低温条件下存储。为便于存储采用尿素水溶液(约40%)在高温废气下加热分解,再与空气和水反应之后形成氨,并在SCR 化剂表面反应,以完成 NO,还原!,反应过程如下：
SCR系统根据设备安装位置可分为高压SCR(HighPressure SCR,HPSCR)系统和低压SCR(LowPressure SCR,LPSCR)系统。
1)HPSCR系统的SCR反应器安装在柴油机排气总管与增压器之间,系统设计见图4,废气经过排气总管之后通过喷雾混合单元进入SCR反应器中,再驱动透平,由于废气压力较高,故称该系统为HPSCR系统。HPSCR 系统适用于SFO和HSFO
2)LPSCR系统的SCR反应器安装在柴油机增压器之后,系统设计见图5,废气驱动透平增压器之后,在混合器和SCR反应器的作用下其压力和温度下降,催化剂在该温度下运行一段时间会产生硫酸氢氨,催化剂活性下降,因此需对催化剂进行活性再生。LPSCR系统只适用于LSFO。对于船用低速机,涡轮增压器后的废气温度低,系统运行温度无法保证,需通过增加废气加热装置等方式加热混合废气,进而保证SCR反应器内的温度满足要求!,因此对于船用低速主机,HPSCR系统的应用较多。
2.2 SCR 辅助系统
图6为SCR辅助系统,尿素柜中的尿素水溶液先由尿素供给单元输送给尿素计量单元,再输送给喷雾混合单元控制系统控制尿素的喷射量。需要额外的压缩空气系统用于实现尿素雾化、SCR反应器吹灰和SCR反应停止之后的喷嘴净化,以防止喷嘴堵塞。
3 主机配置的经济性
3.1 EGR 主机配置的经济性
以某船 7G80ME-C10.5 主机为例,从节能原理、油耗、化学品消耗、排放水和船厂配置等方面对其经济性进行分析,选择经济可靠的EGR主机配置方案。
3.1.1 燃油消耗
根据上述分析，EcoEGR系统在TierI模式下的油耗比EGR TC系统低，根据MAN的技术文件，对各工沉下的油耗进行对比，结果见图7。从单位油耗上看,EGR TC-HSFO工况下的油耗最高,EcoEGR 工沉下的油耗最低。对于各负荷下的油耗,EcoEGR工沉下的油耗相比ECRTC-HSFO工沉下的油耗下降 2.4%~6.0%,相比 EGR TC-LSFO 工沉下的油耗下降1.5% ~5.0%。
3.1.2 NaOH 消耗
根据上文介绍,EGR主机需配备水处理系统,以清除颗粒聚集物及中和水中的硫酸,采用NaOH 进行中和。
对于 EGR TC 主机,只在 Tier 工況下采用EGR 技术。在该工况下,使用硫含量小于0.1%的低硫油NaOH 消耗量相对较小。
对于EcoEGR主机,在Tier I和Tier 工沉下均需采用EGR技术。在Tier工沉下,NaOH 消耗量与EGRT主机类似;在Tier I工沉下,使用硫含量小于0.5%的低硫油,NaOH消耗量大幅增加。图8为不同工况下的EGR主机NaOH消耗对比(NaOH的质量浓度为50%),由于燃油中的硫含量增加,EcoEGR TierI工沉下的 NaOH 使用量为Tier Il 工沉下的165%~200%。
3.1.3 EGR油渣及EGR 泄放水生成量
主机在使用 EGR过程中会产生油渣及泄放水,对于EOEGR和ECRTC主机,在不同工况下的生成量是不同的,见图9和图10。EcOEGR 主机在 TierⅡ 工况下的油渣及泄放水量较少,这是由于在该工况下废气循环量较少。机舱箱柜的设计计算需考虑油渣及泄放水的生成量,在不允许排放的情况下,确保有足够的容量存储介质。
ECOEGR 系统相比 EGR TC系统油耗下降,但EGR一直投人使用,NaOH使用量增加,油渣排放量增加。例如,某船每年 Tier Ⅱ 航行总时间为5 400 h,Tier Ш航行总时间为600h,25%、50%、75%和100%负荷对应的航行时间分别为总时间的30%、30%、30%和10%,使用质量浓度为50%的 NaOH
1)若采用 EcoEGR 主机,NaOH 需求量约为49 m'/a,EGR 油渣泄放量约为 186 m'/a,Tier Ⅱ 航行燃油消耗每年约9423t,Tier I航行燃油消耗每年约1095t。
2)若采用 EGR TC 主机,Na0H 需求量约为3 m/a,EGR 油渣泄放量约为22m/a。若使用LSFO,Tier ⅡI航行燃油消耗约为9787 Va;若使用 HSFO,Tier Ⅱ航行燃油消耗约为9874 a,Tier Ш 航行燃油消耗约为1 101 t/a。按照 NaOH 的价格为0.63 万元/t,油渣排岸的价格为0.2万元/t,HSFO的价格为0.55 万元/t.ISFO的价格为0.62万元/t,船用轻柴油(Marine Gas Oi,MGO)的价格为0.8万元/t计算(价格仅为计算对比用,随市场变化).上述工况下ECOEGR系统与EGRTC系统的NaOH消耗量、油渣排出和油耗情况估算结果对比见表1。
若采用HSFO,EGR TC主机燃油费用约为6264万元/a;若采用LSFO,EGR TC主机燃油费用约为7 003万元/a:NaOH 费用约为1.89万元/a,油渣排岸费用约为4.4万元/a。EcEGR 主机燃油费用约为
6718万元/a,NaOH 费用约为30.87万元/a,油渣排岸费用约为37.2万元/a。综上所述,虽然EGR TC主机采用高硫油的燃油消耗量较高,但其 NaOH 费用和油渣排岸费用较少,且主要考虑燃油价格差异,经济优势明显。但是,仍需设置脱硫洗涤塔等设备满足硫排放的要求。3.2 EGR 主机与 SCR 主机经济性
由上述分析可知,使用高硫油的主机在经济性方面更优越,因此进一步对比HSFO工况下ECR TC主机与HPSCR 主机的油耗,结果见图11和图12。
计算不同工沉下 EGR 主机与 SCR 主机的 NaOH 消耗、尿素消耗和油耗情况,结果见表2。由表2可知,高压 SCR 主机比 EGR TC主机的燃油消耗略少,且没有额外的油渣排岸费用,因此高压 SCR 主机的经济性更好。
4 机舱布置方案
根据上述分析,从机舱布置的角度看,若采用EeoECR 主机,ECR 油渣舱箱需求空间大,EGR 油渣舱一般布置在机舱内底,对于有双层底要求的机舱而言,布置更困难,考虑EcECR后期维护成本较高和设备故障率增多等不确定因素,船东一般选择 EGRTC主机。EGR TC主机在机舱内底需设置EGR 油渣舱和EGR泄放舱,在机舱上层平台需设置NaOH储存柜、EGR水处理系统和缓冲柜,机舱一般可满足布置要求,见图13。对于SCR主机,其对机舱上层空间的要求较高。以某船高压 SCR 主机机舱布置为例,SCR 反应器的体积较大(长5 500 mm,直径2780mm),排烟管布置要求较高(见图14),且尿素柜舱容需求远大于 NaOH柜,尿素柜体积大,布置相对困难。
5 结语
当前主机 EGR 和 SCR 技术已相对成熟,有完善的设备和系统供应厂家。随着大气环境的日益恶化和船用柴油机排放法规的目益严格,确定 Ter 1 阶段船用柴油机最佳技术已刻不容缓。ECR 主机更易布置,但设备购置成本和燃油成本高于SCR主机,需在发动机建造期间安装,且不能改型:SCR 主机布置相对困难,但设备购置成本和燃油成本低于EGR 主机,经济性较好。随着燃油和设备价格的不断调整,最佳的 TierШ减排技术将由船东综合考虑系统安装和运行成本之后确定。
参考文献：
[1]吴培莉,李世用,路通,等.MAN低速主机配置方案及机舱布置分析[J].船舶与海洋工程,2024,40(05):40-46.
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